Förenkla konstruktionen av nätaggregat med en lättanvänd matris för switchade nätaggregat (SMPS)

Konstruktörer av elektroniska produkter eller enheter behöver oundvikligen en lämplig strömförsörjning. Med kraftenheter som sträcker sig från tiotals watt till flera kilowatt (kW) kan det vara svårt att hitta rätt komponenter. Med tusentals alternativ, matchande likriktare, effektregulatorer, switchar och gatedrivkretsar, kan problemet bromsa konstruktionsprocessen, öka kostnaderna och äventyra deadlines.

Ett sätt att förenkla saker och ting är att börja med en tillförlitlig leverantörs sortiment av intelligenta kraftaggregat och använda deras onlineverktyg för att göra optimala val. Till exempel kan en matris för komponenter i switchade nätaggregat som är organiserad efter tillämpning, topologi, enheter och viktiga egenskaper påskynda urvals- och konstruktionsprocessen.

Artikeln går kortfattat igenom konstruktion av switchade nätaggregat. Därefter introduceras en komponentmatris för switchade nätaggregat från Onsemi som länkar samman likriktarbryggor, styrenheter, gatedrivkretsar och effektswitchar som är kompatibla med respektive tillämpnings effektnivå. Den förklarar de viktiga produktdefinitionerna och ger exempel på hur matrisen kan användas för att förenkla komponentvalet.

Konstruktion av switchade nätaggregat

Tänk på de viktigaste delarna i ett grundläggande switchat nätaggregat avsett för en tillämpning med USB Power Delivery (PD) och en effektnivå på 100 W (figur 1). På nätaggregatets primärsida behövs vanligtvis en likriktare, en styrenhet med effektfaktorkorrigering, en effektstyrenhet, en optokopplare, gatedrivkretsar och effektswitchar. På sekundärsidan behövs vanligtvis en styrenhet för synkron likriktning (SRC), switchar för synkron likriktning (SR), en styrenhet för USB PD och en optokopplare.

Figur 1: Här visas huvudkomponenterna i ett typiskt nätaggregat för 100 W. (Bildkälla: onsemi, redigerad av författaren)

Komponenterna för konstruktionen motsvarar effektnivån. Konstruktörer måste välja topologier för effektfaktorkorrigering och effektreglering på primärsidan och topologier för likriktare och regulatorer på sekundärsidan. Baserat på besluten kan de sedan välja de enskilda komponenterna.

Det är här som matrisen för switchade nätaggregat från onsemi gör det lättare att välja strömförsörjningskomponenter (figur 2).

Bild 2: Här visas den interaktiva matris för switchade nätaggregat som hjälper konstruktörer att välja aktiva komponenter baserat på nätaggregatets effektklass och önskade topologier. (Bildkälla: onsemi)

Matrisen för switchade nätaggregat baserar designvalen på effektnivå och densitet, som visas i de två första kolumnerna till vänster. De högsta effektnivåerna finns högst upp och minskar mot den nedersta raden. Effektnivåer från 5 W till över 3 kW ingår. Eftersom effekttäthet är ett mått på effekt per volymenhet ger extremt hög effekttäthet ett nätaggregat som är mindre än en kapsling med hög täthet. Ett alternativ till dessa två kapslingsval är lågprofilkapslingen. Matrisen ställer in matningsspänningen så att den sammanfaller med effektnivån.

Respektive effektnivå i matrisen har en av tre rader med rekommenderade komponenter som motsvarar valen för effekttäthet, och tillhandahåller utvalda komponenter för topologierna på primär- och sekundärsida. Uppgifter som är markerade med N/A innebär att uppgiften inte gäller för den aktuella effektnivån och densiteten.

I kolumnen för likriktare anges de föreslagna komponenterna för likriktarbryggor med motsvarande effektnivå. I vissa fall finns det ingen brygga. Det inträffar när en likriktarbrygga inte behövs eftersom en annan komponent, t.ex. en effektfaktorkorrigering med totempåle, har ersatt dess funktion. Posterna "snabbt stift" och "långsamt stift" i fältet för effektfaktorkorrigering (PFC) identifierar snabbt de effektfaktorkorrigeringar som tillhör totempolen. Dessa effektfaktorkorrigeringar har switchar med långsamma stift som arbetar med nätfrekvensen, medan switcharna med snabba stift arbetar med en högre, mer typisk switchningsfrekvens.

Matrisen föreslår en primär topologi baserad på önskad effektnivå. Den rekommenderar styrenheter med någon av fyra vanliga topologier: flyback (switchning), aktiv clamp flyback (ACF), kvasi-resonant (QR) flyback eller induktor-induktor-kondensator (LLC).

Flyback-omvandlaren är en isolerad strömförsörjningstopologi utan direkt elektrisk anslutning mellan primär- och sekundärsida. När switchen stängs av överför den kopplade induktorn energi från primär- till sekundärsidan. Omvandlarens spänningsstyrning upprätthålls med hjälp av pulsbreddsmodulering (PWM) med en fast frekvens.

ACF-konstruktionen använder en kopplad induktors flyback-koncept för att överföra energi från primär- till sekundärsida. Den använder dessutom en aktiv enhet för att ladda ur eller låsa den kopplade induktorns läckageinduktans till en kondensator för att minimera belastningen på MOSFET-switchen.

QR flyback-topologin använder kretsens parasitiska induktans och kapacitans för att få ett nära resonanssvar och slå på switchen vid ett minimum av drain-spänningen. Den här "mjuka switchningen" minskar omvandlarens switchningsförluster.Den switchningsfrekvens det medför är inte fast utan varierar med belastningen.

LLC-omvandlaren använder en helt resonant respons för att garantera verklig noll drain-spänningsswitchning. Den minskar switchningsförlusterna även utan belastning och är väl lämpad för högre effektnivåer.

De rekommenderade styrenheterna är grupperade kring specifika effektområden, där switchar används för de lägsta effektnivåerna, QR och ACF för aggregat i mellanklassen och LLC-omvandlare för högre effektnivåer.

Matrisen innehåller detaljerade blockscheman för switchade nätaggregat som illustrerar anslutningarna mellan komponenterna för elva specifika konstruktioner, som täcker fem olika effektnivåer och tätheter som finns tillgängliga under märkta flikar (figur 3).

Figur 3: Matrisen innehåller detaljerade blockscheman för switchade nätaggregat för elva specifika konstruktioner, som täcker fem olika effektnivåer och tätheter som finns tillgängliga under märkta flikar (figur 3). (Bildkälla: onsemi)

När en effektnivå och densitet har valts kan komponenterna väljas från de lämpliga raderna för effektnivå och de topologispecifika kolumnerna i matrisen. Genom att klicka på hyperlänkade komponentnummer öppnas en utökad vy av matrisen där de markerade numren är länkade till artikelnummer hos DigiKey (figur 4).

Figur 4: Genom att klicka på ett hyperlänkat artikelnummer i den ursprungliga matrisen öppnas en utökad sekundär matris med länkar till artikelnummer hos DigiKey. (Bildkälla: onsemi)

Alla komponenter som anges i den valda raden och topologin är kompatibla.

Användning av matrisen

Ett utmärkt exempel på en effektnivå i mellanklassen är ett switchat nätaggregat på 100 W för USB PD, liknande den enhet som tidigare visades i blockdiagrammet i figur 1. Om man tittar på matrisen täcker effektnivåerna 70 till 200 W den nödvändiga aggregatet för 100 W. Om du väljer "Hög" i kolumnen grad av effekttäthet (Power Density Rating) visas den utökade matrisen med länkar till de komponenter som krävs (figur 5).

Figur 5: De gröna rutor som omger komponentvalen för ett switchat nätaggregat med 100 W med hög täthet i den utökade matrisen (klicka för att förstora) De blå artikelnumren är länkade till en tillhörande filtrerad sida för produkter hos DigiKey. (Bildkälla: onsemi)

Internationella bestämmelser, särskilt inom EU, kräver att effektfaktorkorrigering används vid effektnivåer på 75 W eller högre. Den rekommenderade styrenheten för effektfaktorkorrigering här är NCP1623 från onsemi. NCP1623 är en förstärkande styrenhet för effektfaktorkorrigering i litet format med stöd för upp till 300 W för adaptrar med snabb laddning och modulära nätaggregat för datorer där kostnadseffektivitet, tillförlitlighet, hög effektfaktor och effektivitet är viktiga krav. Den kräver en extern likriktarbrygga, och GBU6M eller GBU6K från onsemi rekommenderas. Den kompatibla switchen för effektfaktorkorrigering är NTP125N60S5H från onsemi, en snabb MOSFET som är klassificerad för en maximal drain-to-source-spänning (V_DSS) på 600 V, en maximal drain-ström (I_D) på 22 A och ett drain-source på-resistans (R_DS(ON)) på 125 mΩ.

Den rekommenderade styrenheten på primärsidan är den högfrekventa QR-flyback styrenheten NCP1343 från onsemi. Det är en perfekt styrenhet för växel-/likströmsadaptrar och nätaggregat med öppen ram eftersom den innehåller alla de nödvändiga komponenter som krävs vid konstruktion av moderna switchade nätaggregat. Den är matchad med effektswitchen NVD260N65S3 som är klassificerad för 650 V_DSS, 12 A I_D och en R_DS(ON) på 260 mΩ.

NPC4307 från onsemi är en drivkrets för synkron likriktning på strömförsörjningens sekundärsida. Den garanterar en effektiv synkron likriktning när den används med MOSFET-switchen NTMFSC010N08M7 från onsemi för 80 V_DSS, 61 A I_D, och en R_DS(ON) på 10 mΩ.

Det sista stora steget i konstruktionen är att välja en styrenhet för USB PD som kan hantera optokopplaren på sekundärsidan av en växel-/likströmsadapter eller en regulator för DC/DC-porten. Matrisen föreslår att styrenheten FUSB15101 från onsemi för protokollet PD3.0 (med stöd för USB-programmerbar strömförsörjning (PPS)) vid strömförsörjningsutgången som använder MOSFET:en NTTFS4C02NTAG med N-kanal från onsemi, som är klassificerad för 30 V_DSS och 164 A I_D. Dess R_DS(ON) är 2,25 mΩ vid 10 V och 3,1 mΩ vid 4,5 V.

Nätaggregatet som blir resultatet av detta, finns tillgängligt som utvärderingskortet NCP1343PD100WGEVB (figur 6) från onsemi, och har ett utspänningsområde på 3,1 till 21 V. Den genomsnittliga verkningsgraden är 92 % vid 115 eller 230 V_AC. Den ryms i en kapsling med måtten 60 x 60 x 19 mm och har en effekttäthet på 24 W/in.³.

Figur 6: Här visas den övre (vänster) och nedre (höger) vyn av referensnätaggregatet med USB PD för 100 W som baseras på komponenter som valts med hjälp av matrisen för switchade nätaggregat. (Bildkälla: onsemi)

Sammanfattning

Matrisen för switchade nätaggregat från onsemi är ett enkelt sätt att välja komponenter för nätaggregat, vilket garanterar att valet av kompatibla viktiga komponenter matchar designens effektnivå. Det minskar den tid som krävs för att hitta delar och tillhandahålla direkta länkar till datablad och prisuppgifter.